有机固体废物厌氧发酵虚拟仿真实验设计与实践

山东化工
SHANDONG CHEMICAL INDUSTRY -192 -
2021年第50卷
物 发 设计与实践
高秀红，刘子明"，滕洪辉*，杨春维*，汤 茜，任 新*
（1•吉林省高校环境材料与污染控制重点实验室，吉林四平136000；
2•吉林师范大学 科学与工程学院，吉林四平136000；3.吉林工程职业学院，吉林四平136001）
摘要:虚拟真技术的引入激发了传统实验教学模式的变革°通过有
氧发酵虚拟仿真实验，能够拓展实验时间、空间;通过原理动
模型将厌氧消化原 阶段过程可视化;利高仿真实验
，分别现对反
、碳氮比、接种比、进料量的设计和操作，获得
产气率随时间的变化关系，提升了有 氧发酵实验的深度’虚拟验可加深学生对理论知识的学习和理解,实现复杂问题可视化，激
发学生的学习兴趣，提专业
学效果°
关键词:有
体废物;厌氧发酵;虚拟 真;实验
中图分类号：G642 文献标识码：A
文章编号：1008-021X （ 2021） 03-0192-02
Design and Practice of Virthai Simulation Experimeet for Organic Solid Wastr
Anaerobic Fermeetation
Gao Xiuhong 1，2，LP Ziming 3，Teng HonghuP ， Yang ChunweP ， Tang Qian 1，2，Ren Xin
(1.Kec Laborato — of Environmental Mate —als and Pollution Control ，The Education Depotoent of Jilin Province ，
Siping 136000，China ; 1. Folleye of Environmental Science and Enginee —ng ，Jilin Normal University ，
Siping 136000，China ; 3Qi-n Vocational Colleye of Engineering ，Siping 136001，China )
Abstract : The viTual simulation technology —formed the traditional expe —mental teaching mode. Through the viTual simulation
expe —ment of organic anaerobic fe —nentation ， the expe —mental time and space were expanded. The p —nciple of anaerobic
digestion and the three - stage process were visualized by the principle animation mode l - The hRh simulation expe —ment
e n vi —nme n t was use d .Th e —a ction Omp e r ature ， carbon - nit —ge n ratio ， inoculation ratio ， and fe e d amount we r e de s i gne d and
operated to obtain the relationship between the yas p —duction rate and time ，and to improve the depth of the organic anaerobic
fermentation expe —ment . AiTual experiments can deepen students ~ leaNiny and understanding of theoretical knowledge ，realize the
visualization of complec problems ， stimulate students " interest in learning ， and enhance the elect of professional practice
teaching ­
Key words ：o ——lie solid waste ; anaerobic fermentation ; viTual simulation ; experiment
目前，虚拟仿真技术已应用于多种实验项目，如地下工 程⑴、高危 件中污染大气 [2]（木工程⑴ 真 ：
验条件 行困难 ，高 、高耗、不可 作、大 题。

吉林师范大学 科学与工程学院借助北京欧倍 件技术开发有限公司开发的有 氧发酵虚拟仿真实验软件平台，于1018 在“固体物 置”实验 程中开设了该项 性实验项目。

厌氧 物驯化 耗时 ，导致实验前期 工作 ，
验中接触有 体废物，在验装料、放料等过程 物发酵的恶臭气体 ， 渗滤液渗 现 验操作 更加恶劣。

开展有 体废物厌氧发酵虚拟仿真实验，期弥补实体实验的不足，最大程度上还原 现实验 ，学生可 体验到多 、多 的实验信息，有 激发
学习兴趣和提 验教学效果。

1
的设计
1019 我
大中城
行严格的
⑷，虽然
目 体废物 标 异、废物 繁多，但城 活垃圾
的有 体废物（易腐
L
L
） 比重
大，资化价 高， 关。

“无废城市”的
和固体废物“零填埋”的 目标⑴推动了固体废物资源化
的利用，也为有 的生化处理提供了 。

有 氧发酵虚拟实验室仿真软件是利用动态数学
模 时模拟 体 验现 和过程， 通过 3D 真 验装置作，产和实体实验一致的实验现象和结果。

通过网络
虚拟实验平台的安装，每位学 可 在 、操作、数据
、析计算、答题， 统实体实验相比，学 动参
高，实验时间、场地灵活，减少了实验设备的限制，深化和拓展 了实验内容。

2
原理
2自虚拟仿真实验系统组成
有 氧发酵虚拟仿真实验系统 包括厌氧发酵实验装置、
设 （图1）、验工艺流程等。

图1有机固废厌氧发酵虚拟仿真实验界面
收稿日期：1010-10-13
基金项目：教育部产学研合作项目（101801135001）; 1019年吉林省高校“金”建设项目；1019年吉林省教学改革建设项目 （1019ZCY359） ;1010吉林师范大学教学改革项目“ 工程专业虚拟仿真实验课程设计 ”作者简介:高秀红！ 1980#），女，河北山人,讲师，从
体废物
置研究。

第3期高秀红，等:有机固体废物厌氧发酵虚拟仿真实验设计与实践
-193 -
（1） 氧发酵罐 放置 后的有机固体 物，罐 体为不锈钢材质，密闭圆柱形结构，底部为类锥形沉淀池构型， 罐 液面可视窗口；罐置有 装置、温控 设备、集气 罩等,外部接排气管、放料管；
（2） 设 包括设备开关3组（料开关、搅开关、总 开关）； 6 （累计流 、瞬时流量、碳氮比（C/N ） 、接比 、 、加
料 ）；阀2个（发酵罐排气阀、发酵罐放料阀）；
（3） 验工艺流程将 后的有 体 物经由进料置厌氧发酵罐内， 罐体的2/3高 时， 进
料。

开 ，发酵罐内的有 物在 的 下，开始发生反应， 的甲烷从罐顶的排气 。

反后的沼渣从底部 。

2.7 验原理
有 氧消化 可将混合后的 送至氧发酵系统内进行发酵 ，厌氧 物可将有 终化为沼气、电能和生物肥料，该过程可分为水解酸化、产产 酸、产甲烷 阶段，在 现有 物无害化 的同时实现资源化。

验原理可 拟仿真实验界面的实验 看 ，有反应原理和过程详细的文图资料及化学反 ，同时可通过工作原理动画窗口展示，原动画模型，通俗易懂，生动有 ，如图2 ，将氧消化三阶段反应物质模型化、立体化,的反应过程可视化，切 开厌氧发酵的“ ”，深学对理论知识的 。

图2有机厌氧发酵虚拟仿真工作原理动画截图
3 过程
基于有 拟仿真实验教学平台的建设目的,该实验主要由3部 。

3.1理论知识的学习及拓展
学
氧 化 论 程的学 ， 对 氧 化的
论及工艺有 的 ； 通过虚拟仿真实验平台上的实
验 对理论知识进一步熟悉巩固;特别对实验操作的发酵 条件和 项等进行学习；学通过平台了 验目的、实验步骤等， 验。

除之外，实验平台还 了 体废物 置相关的知识如 物的种群、 法如含水率、总磷、总氮等的，体现了各学科间的 接与
撑关系，易于帮助学生在头 建立逐渐完善的专业知识
体系。

3.2虚拟仿真实验设计
学
拟实验相关理论知识点的学习后，可自主开展
拟仿真实验的方案设计 作,操作界面如图3 ，求依 开电源和各设备开关，设 的操作参数值。

验可对碳氮比、接比、 、进料量进行设计和更改。

如在有 氧发酵虚拟仿真实验3D 界面，可 碳氮比为25和 为40 a ,更改和设计接种比为0固,1 者2；亦可
参数，设 别在20~25,35~45,55~65 a 之间
等， 作参数可以单项修改，亦可 修改。

图3
机厌氧发酵虚拟仿真操作界面
3.3虚拟仿真实验结果处理与分
设计好的实验方案进行虚拟仿真实验,记录数据并计 算，发酵时间、瞬时流量、累计流量和产气 可通过数据管理模 展示和导出， 产气 产气量曲线图（图4），依据变化趋势对实验结果进行分析讨论，并可进行多 案的对比，并可自动生成实验报告。

■
8* 文ftSWS:
当SiSSteXfflffiS: RiAXft
序号
A:发歸间（d ）B ：Sfl^(kg/h)C:累
□ 80.7360.770.91□ 90.9269.04 1.15□ 10 1.2079.70 1.50□ 11 1.2993.74 1.61□ 12 1.12104.63140□ 130.8411243 1.05□ 14044117.940.55□ 150.34120.64043□ 160.25122.980.31□ 170.21125.390.26□ 180.20127.220.25□ 190.19
128.960.24
□鞍删除选中
关闭
实验数据记录
实验数据处理图表
图4有机厌氧发酵虚拟仿真实验数据记录与处理
3.4 虚拟仿真实验成绩评定
作及理论知识两个方面进行。

教师站可随时查看从学生实验验指导教师通过教师
评定学生成绩，包括实验操
操作成绩;下发理论试卷，并可实时查看考试进度，对学生实验
（下转第195页）
第3期 姜 健，等:转型发展下以工程认证为标准的课程教学模式改革探索一一以无机化学综合实训课程为例 • 195 •
在15级的教学过程中发现，实验现象比较明显，色彩也比 较鲜艳，因此在16级以后的无机化学综合实训中增加了电子 实验报告这一环节，由于现在手机很普遍,拍照效果也很好,给 这一环节带来了便利。

采用电子报告，可直观地将实验现象呈 现出来，对最佳条件的选择起到了佐证作用，报告的效果较手 写报告直观、数据有可查性、可长期保存[6]。

这些环节锻炼了
学生整理电子文档的能力，为日后进行翻转课堂、撰写论文、工 作总结、汇报工作等工程实践等打下基础。

2015版和2019版人才培养方案中，工程教育专业认证对
学生的毕业要求中要求该门课程应能锻炼学生团队合作和协 作能力，既能独立完成任务，又能组织、协调团队工作。

无机净 水剂的研制与应用的实验过程锻炼了学生的团队精神和协作 能力,为日后在一线生产中的班组成员间的合作、担任班组长 等工作、日后从事工程实践活动等打下基础。

3改革考核方式，加大过程性考核的环节和成绩比 例,提高学生学习的主动性和工程素质
过程性考核形式多样，贯穿整个学习过程，增加了学习的 难度。

无机化学综合实训课程考核以“学生主动学习评价”的 形式进行，改革了考核方式和方法，增加了过程性考核的环节 和成绩比例。

2015级之前，过程性考核只有操作成绩(50%)和 实训报告成绩(50%)两部分内容。

2016级改革以后，过程性考 核成绩包括平时成绩(10%)、预习成绩(20%)、操作成绩 (30%)和实训报告成绩(40%)四部分内容。

平时成绩包括出勤情况、课后整理实验台、卫生值日等内 容，反映了学生思想政治素养和自身修养的层次，符合毕业要 求中对自我控制和人际交往能力培养的要求。

实训报告除了 手写的形式外，实验现象比较明显和合理的同学可以提交电子 实训报告。

这一新颖的报告形式，对学生来说也很是新奇，同 学们往往主动要求完成，对学生既是一种锻炼,也是一种有效 的教学方法。

通过采用电子实验报告的方式，提高了学生学习
的积极性和兴趣，实现以学生为中心，实验技能和工程技术能 力 为 ， 期 工程 育专业认证的 业标 ， 工 程认证的毕业要求指标。

过程性考核的形式多种多样，并且贯穿学习的整个过程, 通过过程中的不断考核，督促学生不断学习、思考、与进步，增 加了学习的难度、深度和广度，提高了学生的综合素质,保证了 毕业要求的达成度)9*。

4结语
应用技术大学是集高等教育、职业教育、继续教育于一体
的新型大学类型，它是一项重大的教育改革和制度创新。

工程
粘㈠咪粘评咪粘㈠咪粘㈠咪粘评咪粘㈠咪粘㈠咪粘㈠咪粘评咪粘㈠咪粘㈠咪粘评咪粘㈠咪粘㈠咪粘评咪粘㈠咪粘㈠咪粘㈠咪粘评咪粘㈠咪粘㈠咪粘评咪粘㈠咪粘㈠咪
(11) ：156-160.[2]安俊琳，项磊，吕晶晶，等.高危环境事件中大气污染探测 虚拟仿真系统设计与实现[J].实验技术与管理,2019(10)：
(上接第193页)
成绩进行管理与统计。

教师也可通过教师站进行题库管理，修 改添加试题,并可进行师生交流等。

4 结
有机固废厌氧发酵虚拟仿真实验的开发和应用，实现了实 验教学的深刻变革。

它突破了传统的教学理念、教学模式、教 学方法和手段的束缚，学生可以根据自己的时间和兴趣来安排 学习虚拟仿真实验项目，很大程度上调动了学生的主观能动 性;又可避免厌氧微生物驯化的前期准备、实验启动不成功、实 验安全风险等难题,让学生能够深入参与在传统实验室无法完 成的实验内容，将有机固废厌氧发酵产沼气过程，用模块化的 系统进行设计更改,有针对性地开展进阶式训练，加强学生对 专业理论知识的掌握，提高了学生的创新能力和综合设计 能力。

参考文献
[1 ]张治国，陈有亮,饶平平，等.地下工程实验教学虚拟仿真数
值建模平台建设探索[J ].实验室研究与探索，2019, 38
教育专业认证的核心就是要确认工科专业毕业生达到行业认 可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为 导向的合格性评价。

在人才培养过程中，应该根据真实生产、 服务的技术和流程,将现代技术对人才的规格要求融入人才培
案， 将工程 育专业认证的 ， 学 了解化工行业的生产、设计、研究与开发过程，具备综合运用基础 理论知识和先进的专业技术手段，对新产品、新工艺、新技术和 新设备进行研究、开发和综合设计的能力。

无机化学综合实训 课程教学模式符合应用技术教育特点及相应的工程教育专业 认证的标准，建构了学生应该掌握的基础理论、基础知识和基
本技能，以及在校期间应该完成的基本训练，采取了注重实践 应用的教学组织模式、教学方式、考核方式等，建立了符合应用 技术型人才培养和工程教育专业认证标准的无机化学综合实
训课程的教学模式。

参考文献
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(本文文献格式:高秀红，刘子明，滕洪辉，等.有机固体废物厌氧
发酵虚拟仿真实验设计与实践[J ].山东化工，2021，50( 3) ：192 -193 + 195.)。